La temperatura delle particelle elementari è stata osservata nel bagliore radioattivo in seguito alla collisione di due stelle di neutroni e alla nascita di un buco nero.
La collisione di due stelle di neutroni ha creato il più piccolo buco nero mai osservato. La drammatica collisione cosmica ha prodotto, oltre alla nascita di un buco nero, una palla di fuoco, che si è espansa quasi alla velocità della luce e nei giorni successivi ha brillato con una luminosità paragonabile a centinaia di milioni di soli. Questo oggetto luminoso, detto anche kilonova, brilla così intensamente a causa dell’emissione di grandi quantità di radiazioni derivanti dal decadimento degli elementi pesanti e radioattivi creati nell’esplosione. Combinando le misurazioni della luce della kilonova, effettuate con telescopi in tutto il mondo, un team internazionale di ricercatori, guidato dal Cosmic DAWN Center presso il Niels Bohr Institute, è riuscito a comprendere la natura enigmatica dell’esplosione. Le proprietà fisiche delle particelle durante l’evento sono state misurate dagli scienziati che ora si sono avvicinati alla risposta a un vecchio quesito astrofisico: da dove provengono gli elementi più pesanti del ferro?
Una temperatura da Universo primordiale
“Questa esplosione si sviluppa drammaticamente ora dopo ora, quindi nessun singolo telescopio può seguirne l’intera storia. L’angolo di visione dei singoli telescopi rispetto all’evento è bloccato dalla rotazione della Terra. Ma combinando le misurazioni esistenti provenienti dall’Australia, dal Sudafrica e dal telescopio spaziale Hubble, possiamo seguirne lo sviluppo nei minimi dettagli.
Subito dopo la collisione, la materia stellare frammentata ha una temperatura di molti miliardi di gradi. Mille volte più calda persino del centro del Sole e paragonabile alla temperatura dell’Universo appena un secondo dopo il Big Bang. A temperature così estreme gli elettroni non si legano ai nuclei atomici, ma fluttuano in un cosiddetto plasma ionizzato.
Gli elettroni “danzano” in giro. Ma nei momenti successivi, minuti, ore e giorni, la materia stellare si raffredda, proprio come l’intero Universo dopo il Big Bang. L’impronta dello Stronzio è la prova della creazione di elementi pesanti 370.000 anni dopo il Big Bang l’Universo si era raffreddato a sufficienza perché gli elettroni si attaccassero ai nuclei atomici e formassero i primi atomi. La luce poteva ora viaggiare liberamente nell’Universo perché non era più bloccata dagli elettroni liberi.
Ciò significa che la luce più antica che possiamo vedere nella storia dell’Universo è questa cosiddetta radiazione cosmica di fondo, un mosaico di luce che costituisce lo sfondo remoto del cielo notturno. Un processo simile di unificazione degli elettroni con i nuclei atomici può ora essere osservato nella materia stellare dell’esplosione. Uno dei risultati concreti è l’osservazione di elementi pesanti come Stronzio e Ittrio. Sono facili da rilevare, ma è probabile che molti altri elementi pesanti di cui non eravamo sicuri dell’origine siano stati creati anch’essi nell’esplosione.
Un dettaglio senza precedenti
“Ora possiamo vedere il momento in cui i nuclei atomici e gli elettroni si uniscono nell’afterglow. Per la prima volta vediamo la creazione di atomi, possiamo misurare la temperatura della materia e vedere la microfisica in questa esplosione remota. È come ammirare tre radiazioni cosmiche di fondo che ci circondano da tutti i lati, ma qui possiamo vedere tutto dall’esterno. Vediamo prima, durante e dopo il momento della nascita degli atomi“, afferma Rasmus Damgaard, dottorando al Cosmic DAWN Center e coautore dello studio.
Kasper Heintz, coautore e professore associato presso il Niels Bohr Institute, continua: “La materia si espande così rapidamente e aumenta di dimensioni in modo così rapido, al punto che ci vogliono ore perché la luce attraversi l’esplosione. Ecco perché, semplicemente osservando l’estremità remota della palla di fuoco, possiamo vedere più indietro nella storia dell’esplosione. Più vicino a noi gli elettroni si sono agganciati ai nuclei atomici, ma dall’altra parte, sul lato più lontano del buco nero neonato, il “presente” è ancora solo futuro.
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Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale del Niels Bohr Institute;
- Leggi il paper scientifico “Emergence hour-by-hour of r-process features in the kilonova AT2017gfo” su Astronomy & Astrophysics;
- Leggi il paper scientifico “Kilonova evolution — the rapid emergence of spectral features” su Cornell University.
